專利名稱：采煤巷道防沖吸能組合金屬支架及組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦安全支護領(lǐng)域，具體涉及一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架及組裝方法。
背景技術(shù)：
沖擊地壓是一個復(fù)雜的物理力學(xué)過程，國內(nèi)外對其研究已有近百年的歷史，至今仍然是采礦工程和巖石力學(xué)界中的一項難題。目前在支護方法上主要采取以下兩方面措施減小沖擊事故的破壞程度:第一，通過增強圍巖的自身強度，提高圍巖的整體穩(wěn)定性;第二，通過增強支護體強度，從而提高支護體結(jié)構(gòu)的承載能力。例如打錨桿錨索、錨網(wǎng)，噴漿，型鋼支架支護，棚-索協(xié)同支護以及液壓支架(柱)支護等，都是通過增加支護體強度從而增強支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以抵御外來的沖擊作用，在實際工程中，也委實呈現(xiàn)一些顯著的效果O但近些年來，隨著煤礦開采深度的增加和開采范圍的不斷擴大，沖擊地壓事故的顯現(xiàn)頻率與破壞程度愈加突出。從大量的統(tǒng)計結(jié)果中研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的巷道支護在準靜態(tài)壓力下或者較小的沖擊下可以滿足要求，但往往是突發(fā)較大的沖擊或某種程度的圍巖擾動時，支護體就會表現(xiàn)出局部的脆弱性，甚至是整體的不穩(wěn)定性，呈現(xiàn)出不壞則已一壞就產(chǎn)生極為嚴重的后果的現(xiàn)象。所以分析得知，支護體系的失穩(wěn)破壞主要不是由于強度不足，而是由于支護體的抗沖擊能力較差，沒有良好的讓位緩沖吸能的功能。目前我國煤礦已普遍進入深部開采階段，面臨著強大的礦壓與愈加復(fù)雜的地質(zhì)條件對支護提出的更高的要求，所以急需提出更合理的支護方法，設(shè)計更優(yōu)越的支護設(shè)備，改善目前的煤礦防沖支護狀況，以保障煤礦工人的人身安全和采礦工作的順利進行?，F(xiàn)以目前巷道支護最為廣泛應(yīng)用的U型鋼支架作為說明對象。所謂U型鋼，就是斷面為“U”型的鋼梁，用于對采煤巷道的封閉或半封閉支護。根據(jù)工程中的支護需求不同，U型鋼型號、材質(zhì)以及組合支架的形狀也有一定區(qū)別(工業(yè)制造上有具體規(guī)范)。其中O型棚支架就是由四節(jié)或六節(jié)U型鋼弧梁首尾搭接構(gòu)成的一個近圓形支護圈，搭接處用卡纜(俗稱卡子)箍住。其特點在于:u型鋼的“U”型斷面形式和封閉的O型支護形式非常合理，對于提升自身承壓能力、增強巷道圍巖穩(wěn)定性有積極意義，且可以通過梁搭接處的相對錯動進行支架整體收縮，以實現(xiàn)圍巖蠕變下的讓位卸壓功能，控制巷道圍巖的變形趨勢，保證支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，在突發(fā)圍巖沖擊時，U型鋼就會顯露出一些缺陷，例如:U型鋼韌性較差，常會出現(xiàn)局部折斷；接頭處卡纜的螺絲崩斷、卡子崩開；整體嚴重變形或垮塌；0型棚支護方式屬于單層防護，一旦出現(xiàn)內(nèi)斂變形或整體垮塌時，內(nèi)部的工作人員、設(shè)備都暴露在危險之下。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有支護技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架及組裝方法，以達到提高支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、沖擊下快速吸收消耗有害的圍巖沖擊能的目的。
一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架，包括外圓型鋼支架、內(nèi)圓型鋼支架和吸能支護裝置，其中，外圓型鋼支架與內(nèi)圓型鋼支架之間均勻設(shè)置有若干個用于連接的吸能支護裝置；所述的外圓型鋼支架、內(nèi)圓型鋼支架分別由六個或者四個鋼弧段構(gòu)成，每個鋼弧段之間通過卡纜連接；所述的吸能支護裝置包括用于固定連接外圓型鋼支架的第一卡纜、用于固定連接內(nèi)圓型鋼支架的第二卡纜和帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管，其中，帶有預(yù)折紋的薄壁金屬吸能方管的一端連接第一卡纜，另一端連接第二卡纜。根據(jù)采煤巷道防沖吸能組合金屬支架的組裝方法，包括以下步驟:步驟1、確定外圓型鋼支架、內(nèi)圓型鋼支架的型鋼規(guī)格、支架支護密度、弧段長度，以及吸能支護裝置的數(shù)量、規(guī)格、材質(zhì)和金屬管部分的折紋形式；步驟2、將帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管的一端連接第一卡纜，另一端連接第二卡纜，以此制備若干個吸能支護裝置；步驟3、將外圓型鋼支架的六個或四個弧段通過卡纜連接組合，并支護于巷道內(nèi)；步驟4、將多個吸能支護裝置均勻固定于外圓型鋼支架上；步驟5、將內(nèi)圓型鋼支架的每個鋼弧段分別與外圓型鋼支架的每個鋼弧段對應(yīng)并與吸能支護裝置連接，但不緊固；步驟6、當內(nèi)圓型鋼支架的每個鋼弧段通過卡纜搭接完成后，將上述鋼弧段緊固于吸能支護裝置上，并將弧段相互之間進行緊固連接。本發(fā)明優(yōu)點:本發(fā)明為一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架及組裝方法，基于快速吸能讓位防沖支護理念，采用較為合理的圓形巷道斷面支護，以可縮式的大小金屬雙圈為主要骨架，以特設(shè)的分布式連接裝置為核心吸能構(gòu)件，構(gòu)成一種具有雙重防護功能的組合金屬支架結(jié)構(gòu)，在突發(fā)較大的圍巖震動、變形或沖擊地壓時，其通過內(nèi)外圈和吸能裝置的有效配合實現(xiàn)一個快速可控式的變形讓位過程，同時將圍巖的沖擊能最大程度地吸收并耗散掉，防止支架整體結(jié)構(gòu)與巷道圍巖系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞，保護巷道內(nèi)部人員、生產(chǎn)設(shè)備不受傷害或損壞；并且本發(fā)明這種結(jié)構(gòu)能夠以少于常規(guī)支架三倍的材料用量，達到十倍以上的承載能力和抗沖擊能力。


圖1為本發(fā)明一種實施例的支架整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明一種實施例的支架的斷面形狀示意圖；圖3為本發(fā)明一種實施例的卡纜的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)圖為主視圖，(b)圖為剖視圖；圖4為本發(fā)明一種實施例的吸能支護裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，Ca)圖為主視圖，(b)圖為剖切圖；圖5為本發(fā)明一種實施例的采煤巷道防沖吸能組合金屬支架的組裝方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種實施例做進一步說明。一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架，如圖1所示，包括外圓型鋼支架1、內(nèi)圓型鋼支架2和吸能支護裝置3，型鋼支架包括兩個圈徑不同大小鋼圈，鋼圈的橫斷面形狀如圖2所示，所述的外圓型鋼支架1、內(nèi)圓型鋼支架2分別由六個鋼弧段構(gòu)成，如圖3中圖(a)、(b)所示，每個鋼弧段之間通過卡纜4和螺絲連接，并施加一定的預(yù)緊力。其中，外圓型鋼支架I與內(nèi)圓型鋼支架2之間均勻設(shè)置有若干個用于連接的吸能支護裝置3;即大小鋼圈內(nèi)外重疊(兩鋼圈環(huán)面處于共面關(guān)系)，大小鋼圈之間均勻布列了一周吸能支護裝置3，如圖4中的(a)圖和(b)圖所示，所述的吸能支護裝置3包括用于固定連接外圓型鋼支架I的第一卡纜3-1、用于固定連接內(nèi)圓型鋼支架2的第二卡纜3-2和帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管3-3，其中，帶有預(yù)折紋的薄壁金屬吸能方管3-3的一端連接第一卡纜3-1，另一端連接第二卡纜3-2，吸能支護裝置3與型鋼支架的連接方式與卡纜4固定方式相同，箍住外圓型鋼支架I和內(nèi)圓型鋼支架2，吸能支護裝3的帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管與上下兩個大號卡纜(卡子，即第一卡纜3-1和第二卡纜3-2)焊接而成。采煤巷道防沖吸能組合金屬支架的組裝方法，如圖5所示，包括以下步驟:步驟1、根據(jù)煤礦具體情況，包括開采深度、地應(yīng)力大小、巷道形態(tài)、圍巖特點和沖擊傾向性，確定外圓型鋼支架、內(nèi)圓型鋼支架的型鋼規(guī)格、支架支護密度、弧段長度，以及吸能支護裝置的規(guī)格、材質(zhì)、金屬管部分的折紋形式和數(shù)量；吸能支護裝置的技術(shù)參數(shù)包括:裝置規(guī)格，即金屬管和卡纜的型號(大體形狀和具體尺寸)；金屬管部分的折紋形式，折紋倒圓角半徑或弧度的限度；金屬管和卡纜的材質(zhì)(材質(zhì)型號)及其基本力學(xué)性能；折紋金屬管的加工工藝，包括加工流程和工藝穩(wěn)定性，其中加工流程中有金屬管壓制、焊接、熱處理的方法和溫度控制，工藝穩(wěn)定性指批量生產(chǎn)中抽樣檢測的性能達標值。步驟2、制作多個吸能支護裝·置；將帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管的一端焊接第一卡纜，另一端焊接第二卡纜；帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管是基于材料結(jié)構(gòu)屈曲理論，在筒壁上預(yù)先設(shè)計有特別形狀折紋的薄壁金屬結(jié)構(gòu)，具有沖擊作用下理想的抗壓能力和大變形的特點，吸能效果極其明顯。利用鋼鐵等較強的金屬材料在超額沖擊力作用下可控式變形破壞，來快速消減外界沖擊能，實現(xiàn)對其他設(shè)備或人員的保護。巷道沖擊地壓恰恰正是圍巖對支護設(shè)備的強大沖擊力作用，因此，支護設(shè)備可以利用這樣一種類似的裝置與其結(jié)合，讓沖擊來臨時，犧牲這些預(yù)設(shè)的緩沖裝置，來盡可能的吸收圍巖攜帶的能量，從而避免支護體整體發(fā)生失穩(wěn)破壞。步驟3、在巷道內(nèi)，將外圓型鋼支架的六個鋼弧段通過卡纜組合連接并固定于巷道內(nèi)；步驟4、將多個吸能支護裝置均勻固定于外圓型鋼支架上；步驟5、將內(nèi)圓型鋼支架的六個鋼弧段分別與外圓型鋼支架的六個鋼弧段對齊放置(即每個弧段連接位置對齊)并與吸能支護裝置連接，但不緊固；步驟6、當內(nèi)圓型鋼支架的六個鋼弧段通過卡纜搭接完成后，將上述六個鋼弧段緊固于吸能支護裝置上，并將弧段相互之間進行緊固連接。
權(quán)利要求
1.一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架，其特征在于包括外圓型鋼支架(I)、內(nèi)圓型鋼支架(2)和吸能支護裝置(3)，其中，外圓型鋼支架(I)與內(nèi)圓型鋼支架(2)之間均勻設(shè)置有若干個用于連接的吸能支護裝置(3);所述的外圓型鋼支架(I)、內(nèi)圓型鋼支架(2)分別由六個或者四個鋼弧段構(gòu)成，每個鋼弧段之間通過卡纜(4)連接；所述的吸能支護裝置(3)包括用于固定連接外圓型鋼支架(I)的第一卡纜(3-1)、用于固定連接內(nèi)圓型鋼支架(2)的第二卡纜(3-2)和帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管(3-3)，其中，帶有預(yù)折紋的薄壁金屬吸能方管(3-3)的一端連接第一卡纜(3-1)，另一端連接第二卡纜(3-2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采煤巷道防沖吸能組合金屬支架的組裝方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1、確定外圓型鋼支架、內(nèi)圓型鋼支架的型鋼規(guī)格、支架支護密度、弧段長度，以及吸能支護裝置的數(shù)量、規(guī)格、材質(zhì)和金屬管部分的折紋形式； 步驟2、將帶有預(yù)折紋的薄壁金屬方管的一端連接第一卡纜，另一端連接第二卡纜，以此制備若干個吸能支護裝置； 步驟3、將外圓型鋼支架的六個或四個弧段通過卡纜連接組合，并支護于巷道內(nèi)； 步驟4、將多個吸能支護裝置均勻固定于外圓型鋼支架上； 步驟5、將內(nèi)圓型鋼支架的每個鋼弧段分別與外圓型鋼支架的每個鋼弧段對應(yīng)并與吸能支護裝置連接，但不緊固； 步驟6、當內(nèi)圓型鋼支架的每個鋼弧段通過卡纜搭接完成后，將上述鋼弧段緊固于吸能支護裝置上，并將弧段相互之間進行緊固連接。
全文摘要
本發(fā)明一種采煤巷道防沖吸能組合金屬支架及組裝方法，屬于煤礦安全支護領(lǐng)域，該裝置包括外圓型鋼支架、內(nèi)圓型鋼支架和吸能支護裝置；該發(fā)明基于快速吸能讓位防沖支護理念，采用較為合理的圓形巷道斷面支護，以可縮式的大小金屬雙圈為主要骨架，以特設(shè)的分布式連接裝置為核心吸能構(gòu)件，構(gòu)成一種具有雙重防護功能的組合金屬支架結(jié)構(gòu)，在突發(fā)較大的圍巖震動、變形或沖擊地壓時，其通過內(nèi)外圈和吸能裝置的有效配合實現(xiàn)一個快速可控式的變形讓位過程，同時將圍巖的沖擊能最大程度地吸收并耗散掉，防止支架整體結(jié)構(gòu)與巷道圍巖系統(tǒng)的失穩(wěn)破壞，保護巷道內(nèi)部人員、生產(chǎn)設(shè)備不受傷害或損壞。
文檔編號E21D15/14GK103256061SQ20131013203
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者潘一山, 肖永惠, 馬簫, 徐連滿, 李國臻, 李忠華, 崔乃鑫 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)